CN117239532A - 一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置及输出方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及激光器领域，特别涉及一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置及输出方法。其中包括：六角棱镜，主激光增益晶体棒，第一辅助激光增益晶体棒、第二辅助激光增益晶体棒、第三辅助激光增益晶体棒、第四辅助激光增益晶体棒、第五辅助激光增益晶体棒、第六辅助激光增益晶体棒，被动调Q晶体，全反镜，第一折射镜、第二折射镜，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第十二反射镜，LD阵列；所述无水无风冷激光器应实现基模光束控制，进而获得光场分布均匀的激光输出。
Description
技术领域
本发明属于固体激光技术领域，尤其涉及一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置及输出方法。
背景技术
激光二极管泵浦的固体激光器具有转换效率高、器件结构紧凑、体积小、可靠性高、结构牢固、输出能量大、峰值功率高等优点，是当前激光技术发展的主要方向。基于以上优点，固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有着广泛的用途。
实现高质量和高功率的激光输出一直是激光领域的主要追求之一。侧面泵浦技术以其采用大功率、发光面积较大的半导体激光阵列(LDA)作为泵浦光源，以高功率激光输出被广泛应用于激光雷达、光电对抗以及激光诊断等领域。其主要优势在于能充分利用激光工作介质，转换效率高。然而，在无水无风冷状况下，由于增益介质内热量无法快速导出，引发光场分布不均匀以及能量提取效率低等问题。这些问题主要源于泵浦光是沿径向方向射入晶体，导致泵浦光分布不均匀，并且工作物质内的增益分布与激光谐振腔的本征基模难以进行模式匹配，同时无主动制冷还引发严重的热效应，上述原因导致激光器无法实现基模光束输出。
光场分布均匀的基模激光被广泛应用在3D打印、激光清洗等领域。为满足上述应用需求，无水无风冷激光器应实现基模光束控制，进而获得光场分布均匀的激光输出。
发明内容
为了解决以上光场分布不均匀和提取效率不高等问题，获得光场分布均匀、大能量的激光输出，本发明提供了一种基于六角棱镜腔的无水无风冷激光器基模光束控制装置。
本发明光路简明、结构紧凑，而且容易扩展，调节方便，既可以作为独立激光器应用，也可以作为激光放大器应用。利用六角棱镜的定向反射特性作为放大光路转折元件，结合六角棱镜组成三维抗失调的多程光路，适用于对激光性能和结构有高要求的场合。
本发明提出一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置，包括：
六角棱镜、一根主激光增益晶体棒、六根辅助激光增益晶体棒、被动调Q晶体、全反镜、折射镜、反射镜、LD阵列；
在主轴位置上，从左到右放置，六角棱镜、被动调Q晶体、主激光增益晶体棒、两个角度不同的折射镜、全反镜；
六角棱镜与全反镜构成六角棱镜腔；
六角棱镜的每个侧面与六角棱镜四周反射镜、辅助激光增益晶体棒、折射镜以及对应的反射镜组成激光放大系统；
六根辅助激光增益晶体棒平行围绕在主激光增益晶体棒周围，每根棒相对于主激光增益晶体棒成60°，到主激光增益晶体棒的距离相等。
中心轴上的两个折射镜，每一个折射镜对应三个反射镜，将放大后的激光反射到六角棱镜腔内；
六角棱镜底边是一个正六边形，端面是一个圆形，光束质量最优的中心激光从圆形位置输出；光束质量相对较差的边缘激光被六角棱镜侧面反射。
LD阵列作为泵浦源放置于主激光增益晶体棒、辅助激光增益晶体棒的侧面。主激光增益晶体棒、辅助激光增益晶体棒侧面设置一个LD阵列。
进一步，六角棱镜侧面镀有1.06μm高反膜。
进一步，LD阵列发射出808nm的泵浦光。
进一步，六角棱镜的圆形端面镀1.06μm增透膜。
进一步，全反镜镀有1.06μm全反膜，材质为K9玻璃。
进一步，反射镜、折射镜的材质为K9玻璃。
进一步，被动调Q晶体为Cr4+:YAG。
进一步，主激光增益晶体棒、辅助激光增益晶体棒的材质可采用Nd:YAG晶体、Nd:YAP晶体或Nd:YVO4晶体，且端面镀有1.06μm增透膜。
作为一种改进，主激光增益晶体棒、辅助激光增益晶体棒的侧面设置2个LD阵列，分别在激光增益介质晶体棒的两侧。
根据本发明的另一方面，还提供利用上述控制装置输出激光的方法，所述方法包括：
S1：LD阵列发出泵浦光，侧面泵浦主激光增益晶体棒。在主激光增益晶体棒中，激光离子吸收泵浦光发生能级跃迁，通过能级之间的能量转移，离子被激发到上能级，实现了粒子数反转；
S2：在泵浦光的作用下，主激光增益晶体棒内上能级粒子数迅速增加，受激辐射生成激光；当被动调Q晶体达到饱和时，Q开关开启，激光在全反镜和六角棱镜组成的六角棱镜腔内振荡；
S3：在六角棱镜的作用下，主轴方向上光束质量最优的中心激光经过六角棱镜的圆形端面射出，形成大能量脉冲激光输出；
S4：光束质量相对较差的边缘激光经六角棱镜侧面、反射镜反射，进入到第一辅助激光增益晶体棒、第二辅助激光增益晶体棒、第三辅助激光增益晶体棒、第四辅助激光增益晶体棒、第五辅助激光增益晶体棒、第六辅助激光增益晶体棒进行增益放大，再经过反射镜、折射镜反射注入到六角棱镜腔；
S5:Q开关开启时间内，进行多次S3、S4循环，即改善输出激光光束质量，又增大了激光器的提取效率。
本发明提出的一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置，通过建立六角棱镜腔充分利用侧面泵浦大能量激光输出特性，高光束质量激光直接输出；边缘激光经辅助激光增益晶体棒，再次进入六角棱镜腔。此种技术手段不仅能降低激光空间分布不均匀性，增加光束质量，还能有效提高激光提取效率，进而获得了大能量、高转换效率的激光输出。
附图说明
图1是六角棱镜的结构示意图；
图2是一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置的光路示意图；
图3是一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置的结构示意图；
图4是六角棱镜、反射镜和被动调Q晶体的摆放位置示意图；
图5是六角棱镜、主激光增益晶体棒和激光增益晶体棒之间的摆放位置示意图；
图6是全反镜、折射镜与反射镜的摆放位置示意图；
图7是六角棱镜作用原理示意图；
图8是基模光束控制流程图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明实施例的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
在本发明实施例中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明实施例。
实施例一
如图3所示，本发明提出一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置，包括：
六角棱镜23，主激光增益晶体棒10，第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16，被动调Q晶体24，全反镜1，第一折射镜8、第二折射镜9，第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、第五反射镜6、第六反射镜7、第七反射镜17、第八反射镜18、第九反射镜19、第十反射镜20、第十一反射镜21、第十二反射镜22，LD阵列；
在主轴位置上，从左到右放置，六角棱镜23、被动调Q晶体24、主激光增益晶体棒10、两个角度不同的第一折射镜8、第二折射镜9、全反镜1；
六角棱镜23与全反镜1构成六角棱镜腔；
六角棱镜23的每个侧面与六角棱镜四周第七反射镜17、第八反射镜18、第九反射镜19、第十反射镜20、第十一反射镜21、第十二反射镜22（如图4所示）、第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16（如图5所示）、第一折射镜8、第二折射镜9以及对应的第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、第五反射镜6、第六反射镜7（如图6所示）组成激光放大系统；
第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16平行围绕在主激光增益晶体棒10周围，所述第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16相对于主激光增益晶体棒成60°，到主激光增益晶体棒10的距离相等。
中心轴上的两个折射镜第一折射镜8、第二折射镜9，第一折射镜8对应第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4，第二折射镜9对应第四反射镜5、第五反射镜6、第六反射镜7，以将放大后的激光反射到六角棱镜腔内，如图6所示；
六角棱镜23底边是一个正六边形，端面是一个圆形，光束质量最优的中心激光从圆形位置输出；光束质量相对较差的边缘激光被六角棱镜侧面反射，如图1、7所示。
LD阵列作为泵浦源放置于主激光增益晶体棒10、第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16的侧面。主激光增益晶体棒10、第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16的侧面设置一个LD阵列。
六角棱镜23表面镀有1.06μm的高反膜系。
LD阵列发射出808nm的泵浦光。
六角棱镜23的圆形端面镀1.06μm增透膜。
全反镜1镀有1.06μm全反膜，材质为K9玻璃。
第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、第五反射镜6、第六反射镜7、第七反射镜17、第八反射镜18、第九反射镜19、第十反射镜20、第十一反射镜21、第十二反射镜22、第一折射镜8、第二折射镜9的材质为K9玻璃。
被动调Q晶体24为Cr4+:YAG。
主激光增益晶体棒10、第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16的材质可采用Nd:YAG晶体、Nd:YAP晶体或Nd:YVO4晶体，且端面镀有1.06μm增透膜。
作为一种改进，主激光增益晶体棒10、第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16的侧面设置2个LD阵列，分别在主激光增益晶体棒10、第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16的两侧。
根据本发明的另一方面，还提供利用上述控制装置输出激光的方法，所述方法包括：
S1：LD阵列发出泵浦光，侧面泵浦主激光增益晶体棒10。在主激光增益晶体棒10中，激光离子吸收泵浦光发生能级跃迁，通过能级之间的能量转移，离子被激发到上能级，实现了粒子数反转；
S2：在泵浦光的作用下，主激光增益晶体棒10内上能级粒子数迅速增加，受激辐射生成激光；当被动调Q晶体24达到饱和时，Q开关开启，激光在全反镜1和六角棱镜23组成的六角棱镜腔内振荡；
S3：在六角棱镜23的作用下，主轴方向上光束质量最优的中心激光经过六角棱镜23的圆形端面射出，形成大能量脉冲激光输出；
S4：光束质量相对较差的边缘激光经六角棱镜23侧面、第七反射镜17、第八反射镜18、第九反射镜19、第十反射镜20、第十一反射镜21、第十二反射镜22反射，进入到第一辅助激光增益晶体棒11、第二辅助激光增益晶体棒12、第三辅助激光增益晶体棒13、第四辅助激光增益晶体棒14、第五辅助激光增益晶体棒15、第六辅助激光增益晶体棒16进行增益放大，再经过第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、第五反射镜6、第六反射镜7、第一折射镜8、第二折射镜9反射注入到六角棱镜腔。
S5:Q开关开启时间内，进行多次S3、S4循环，即改善输出激光光束质量，又增大了激光器的提取效率。
依据上述技术方案，主激光增益晶体棒10侧面设置LD阵列。LD阵列发射泵浦光，泵浦光沿径向射入主激光增益晶体棒10。主激光增益晶体棒10吸收泵浦光发生粒子数反转，生成中心光束质量好、边缘光束质量差的高斯型激光（如图7所示）。通过六角棱镜23进行选优，最优光束质量的中心激光直接输出，光束质量差的边缘激光通过反射、放大，重新进入六角棱镜腔，最终获得大能量、高光束质量激光输出，如图8所示。此种技术手段不仅能降低激光空间分布不均匀性，增加光束质量，还能有效提高激光提取效率。
可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置，其特征在于，包括：
六角棱镜（23），主激光增益晶体棒（10），第一辅助激光增益晶体棒（11）、第二辅助激光增益晶体棒（12）、第三辅助激光增益晶体棒（13）、第四辅助激光增益晶体棒（14）、第五辅助激光增益晶体棒（15）、第六辅助激光增益晶体棒（16），被动调Q晶体（24），全反镜（1），第一折射镜（8）、第二折射镜（9），第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、第三反射镜（4）、第四反射镜（5）、第五反射镜（6）、第六反射镜（7）、第七反射镜（17）、第八反射镜（18）、第九反射镜（19）、第十反射镜（20）、第十一反射镜（21）、第十二反射镜（22），LD阵列；
在主轴位置上，从左到右放置：所述六角棱镜（23）、所述被动调Q晶体（24）、所述主激光增益晶体棒（10）、所述第一折射镜（8）、所述第二折射镜（9）、所述全反镜（1），其中，所述第一折射镜（8）、所述第二折射镜（9）相对于主轴角度不同；
其中，所述六角棱镜（23）与所述全反镜（1）构成六角棱镜腔；
其中，所述六角棱镜（23）的每个侧面与所述六角棱镜（23）四周的所述第七反射镜（17）、所述第八反射镜（18）、所述第九反射镜（19）、所述第十反射镜（20）、所述第十一反射镜（21）、所述第十二反射镜（22）、所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）、所述第一折射镜（8）、所述第二折射镜（9）以及对应的所述第一反射镜（2）、所述第二反射镜（3）、所述第三反射镜（4）、所述第四反射镜（5）、所述第五反射镜（6）、所述第六反射镜（7）组成激光放大系统。
2.根据权利要求1所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）平行围绕在所述主激光增益晶体棒（10）周围，所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）相对于主激光增益晶体棒成60°，到所述主激光增益晶体棒（10）的距离相等。
3.根据权利要求1所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述第一折射镜（8）对应所述第一反射镜（2）、所述第二反射镜（3）、所述第三反射镜（4），所述第二折射镜（9）对应所述第四反射镜（5）、所述第五反射镜（6）、所述第六反射镜（7），以将放大后的激光反射到六角棱镜腔内。
4.根据权利要求3所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述六角棱镜（23）底边是一个正六边形，端面是一个圆形，光束质量最优的中心激光从圆形位置输出；光束质量相对较差的边缘激光被六角棱镜侧面反射。
5.根据权利要求1所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述LD阵列作为泵浦源放置于所述主激光增益晶体棒（10）、所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）的侧面；
所述主激光增益晶体棒（10）、所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）的侧面设置一个所述LD阵列。
6.根据权利要求5所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述六角棱镜（23）表面镀有1.06μm的高反膜系，圆形端面镀1.06μm增透膜；所述LD阵列发射出808nm的泵浦光；所述全反镜（1）镀有1.06μm全反膜；所述全反镜（1）、所述第一反射镜（2）、所述第二反射镜（3）、所述第三反射镜（4）、所述第四反射镜（5）、所述第五反射镜（6）、所述第六反射镜（7）、所述第七反射镜（17）、所述第八反射镜（18）、所述第九反射镜（19）、所述第十反射镜（20）、所述第十一反射镜（21）、所述第十二反射镜（22）、所述第一折射镜（8）、所述第二折射镜（9）的材质为K9玻璃；所述被动调Q晶体（24）为Cr4+:YAG。
7.根据权利要求6所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述主激光增益晶体棒（10）、所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）的材质可采用Nd:YAG晶体、Nd:YAP晶体或Nd:YVO4晶体，且端面镀有1.06μm增透膜。
8.根据权利要求7所述的基模光束控制装置，其特征在于，
所述主激光增益晶体棒（10）、所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）的侧面设置2个LD阵列，分别在所述主激光增益晶体棒（10）、所述第一辅助激光增益晶体棒（11）、所述第二辅助激光增益晶体棒（12）、所述第三辅助激光增益晶体棒（13）、所述第四辅助激光增益晶体棒（14）、所述第五辅助激光增益晶体棒（15）、所述第六辅助激光增益晶体棒（16）的两侧。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基模光束控制装置的输出激光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：所述LD阵列发出泵浦光，侧面泵浦所述主激光增益晶体棒（10）；在所述主激光增益晶体棒（10）中，激光离子吸收泵浦光发生能级跃迁，通过能级之间的能量转移，离子被激发到上能级，实现了粒子数反转；
S2：在泵浦光的作用下，所述主激光增益晶体棒（10）内上能级粒子数迅速增加，受激辐射生成激光；当被动调Q晶体达到饱和时，Q开关开启，激光在全反镜和六角棱镜组成的六角棱镜腔内振荡；
S3：在六角棱镜的作用下，主轴方向上光束质量最优的中心激光经过六角棱镜的圆形端面射出，形成大能量脉冲激光输出；
S4：光束质量相对较差的边缘激光经六角棱镜侧面、反射镜反射，进入到第一辅助激光增益晶体棒（11）、第二辅助激光增益晶体棒（12）、第三辅助激光增益晶体棒（13）、第四辅助激光增益晶体棒（14）、第五辅助激光增益晶体棒（15）、第六辅助激光增益晶体棒（16）进行增益放大，再经过反射镜、折射镜反射注入到六角棱镜腔；
S5: Q开关开启时间内，进行多次S3、S4循环，即改善输出激光光束质量，又增大了激光器的提取效率。
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